Røntgenstråler afslører den bidende sandhed om papegøjefiskens tænder:Indvævet krystalstruktur er nøglen til koralknusningsevne

Så, du troede, at den fiktive folkespiser store hvide haj i filmen "Jaws" havde en kraftig bid.

Men overse ikke papegøjefiskens mægtige mund - dens hårdføre tænder gør, at den kan hugge på koraller hele dagen lang, i sidste ende tygge og male det op gennem fordøjelsen til fint sand. Det er rigtigt:Dens "næb" skaber strande. En enkelt papegøjefisk kan producere hundredvis af kilo sand hvert år.

Nu, en undersøgelse af forskere - herunder dem ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) - har afsløret en kædepostlignende vævet mikrostruktur, der giver papegøjefiskens tænder deres bemærkelsesværdige bid og modstandsdygtighed.

Den naturlige struktur, de observerede, giver også en blueprint til at skabe ultra-holdbare syntetiske materialer, der kan være nyttige til mekaniske komponenter inden for elektronik, og i andre enheder, der gennemgår gentagne bevægelser, slid, og kontaktstress.

Matthew Marcus, en personaleforsker, der arbejder på Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) - en røntgenkilde kendt som en synkrotronlyskilde, der var integreret i papegøjefiskstudiet - blev fascineret af papegøjefisk under et besøg i 2012 i Great Barrier Reef ud for kysten af Australien.

En video om livet i havet, som han så på en pågående båd i oceanen, mindede ham om papegøjefiskens rolle i at nedbryde koraller til fint sand. De spiser hovedsageligt polypper og alger, der lever på overfladen af ​​koralskeletter, og hjælpe med at rydde op i rev. Hårdheden af ​​papegøjefisk tænder målt nær bidende overflade er omkring 530 tons tryk pr. Kvadrat tomme - svarende til en stak på omkring 88 afrikanske elefanter - komprimeret til en kvadrat tomme plads.

"Jeg blev mindet om, at dette er en fisk, der knuser koraller hele dagen, og er ansvarlig for meget af det hvide sand på strande, "Sagde Marcus." Men hvordan kan denne fisk spise koral og ikke miste tænderne? "

Tilbage på ALS, Marcus spurgte Pupa Gilbert - en biofysiker og professor i fysikafdelingen ved University of Wisconsin -Madison, der studerer, hvordan levende ting producerer mineraler - om hun var interesseret i at studere papegøjefiskens tænder.

Gilbert sagde, at hun "reagerede entusiastisk" på udfordringen. Hun ledede et internationalt team i undersøgelsen, modtagelse af papegøjefisk næb fra samarbejdspartnere i Fransk Polynesien. Hendes samarbejdspartnere fra Nanyang Technical University i Singapore - Ali Miserez, en lektor, der studerer biologiske materialer med unikke egenskaber, og hans gruppe - udførte mekaniske målinger til undersøgelsen. Gilbert udførte de fleste strukturelle undersøgelser for at forstå, hvordan papegøjefisk tænder fungerer.

Marcus fungerede som den første forfatter i denne seneste undersøgelse, ledet af Gilbert og offentliggjort online 20. oktober i tidsskriftet ACS Nano . Gilbert havde tidligere inkluderet Marcus i et af hendes undersøgelser, der fokuserede på nacre, den brudstærke, iriserende belægning kendt som perlemor, der beklæder indersiden af ​​nogle bløddyrskaller. Nacre har inspireret F &U -arbejde til at efterligne dets styrkeegenskaber ved hjælp af syntetiske materialer.

Denne og lignende undersøgelser har påberåbt sig en teknik kendt som PIC (polarisationsafhængig billeddannelseskontrast) kortlægning, som Gilbert opfandt og fortsætter med at udvikle på ALS. I PIC -kortlægning, polariseringen af ​​røntgenstråler roteres for at muliggøre analyse og visning af nanoskala krystalorientering i nacre og andre biomineraler.

"ALS er det første sted, hvor PIC -kortlægning blev foretaget, "sagde Gilbert." Du kan hurtigt se, hvordan hver nanokrystal i et givet billede er orienteret. "

Hun tilføjede, "Hvis du ser på en tand, eller en knogle, eller en bløddyrskal, eller et stykke koral, dette er super-interessant. Det fortæller dig, hvordan nanokrystaller er arrangeret i forhold til hinanden. Du kan se disse smukke billeder, der ser bedre ud end abstrakt kunst, og lære, hvordan biomineraler dannes og fungerer. "

I denne seneste undersøgelse, Gilbert, Marcus, og Miserez ville se, hvordan den fine krystalstruktur af papegøjefisk tænder bidrager til deres utrolige styrke. Forskerne var i stand til at visualisere orienteringen af ​​individuelle krystaller, som viste deres indviklede vævede struktur.

Fluorapatit, mineralet, der er ansvarlig for krystalstrukturen af ​​papegøjefiskens tænder, indeholder calcium, fluor, fosfor, og ilt.

Undersøgelsen viste, at de fluorapatitkrystaller, der giver papegøjefiskens tænder deres styrke, hver måler omkring 100 nanometer (milliarder af en meter) bred og flere mikron (milliontedele af en meter) lange, og samles i sammenvævede bundter. Bundlerne falder i gennemsnitlig diameter fra ca. 5 mikron til ca. 2 mikron mod spidsen af ​​hver tand.

Mens tandemalje fra mange forskellige dyrearter kan se ud som konventionelle mikroskoper, Gilbert bemærkede, at disse billeder kan overse den unikke orientering af krystaller i emaljestrukturen af ​​tænder. Og krystalorienteringen, hun sagde, "fortæller en stor historie om, hvordan forskellige tænder er specialiseret til forskellige funktioner."

For papegøjefisk, de stadigt voksende rækker af tænder, som danner en næblignende struktur, der konstant erstatter ældre, slidte tænder med nye tænder, er også en integreret del af deres specialiserede fodringsadfærd. Kun kitoner har hårdere tænder end papegøjefisk, Gilbert sagde, og ingen anden biomineral er stivere end papegøjefisk tænder ved deres bidende spids.

"Papegøjefisk tænder er de sejeste biomineraler af alle, "Sagde Gilbert." De er de stiveste, blandt de hårdeste, og den mest modstandsdygtige over for brud og slid, der nogensinde er målt. "Papegøjefisk har omkring 1, 000 tænder placeret i cirka 15 rækker, og hver tand er cementeret til alle de andre og omgivet af knogler for at danne et fast næb - hajens tænder, derimod, er ikke forbundet på denne måde.

De mekaniske målinger til undersøgelsen, som fokuserede på tandprøver fra en stejlhovede papegøje (Chlorurus microrhinos), fandt ud af, at hårdheden og stivheden stiger mod spidsen af ​​hver tand. PIC -kortforsøgene ved ALS afslørede, at efterhånden som hårdheden og stivheden stiger, krystalbundternes diameter indsnævres.

Ud over PIC-kortlægningsundersøgelsen, som brugte et værktøj kendt som et fotoemissionselektronmikroskop (PEEM) ved ALS, separate ALS-eksperimenter brugte en 3D-billeddannelsesteknologi kendt som røntgenmikrotomografi og en anden røntgenmetode kendt som mikrodiffraktion for yderligere at analysere krystalorienteringer og stammer af tænderne.

"Den sammenvævede egenskab og krystalorienteringen er fuldstændig åben for at blive undersøgt til fremstilling af syntetiske materialer, "sagde Gilbert." Vævning er en af ​​de ældste ting, som folk har lært at gøre. Du kunne tænke på faktisk at væve krystaller, som krystaller bliver fleksible, når de er meget tynde. "

Allerede, Gilbert bemærkede, der er mange veludviklede bestræbelser på at replikere strukturen af ​​menneskelig emalje ved hjælp af nanofabrikationsmetoder.

Gilbert og Marcus foreslog, at fremtidige eksperimenter ved ALS kunne fokusere på et separat sæt tænder (svælg tænder), der yderligere nedbryder koralstykker i papegøjer.

"Himlen er grænsen på dette tidspunkt, "Sagde Gilbert." Denne første observation af de mekaniske egenskaber er spændende, og nu kan der arbejdes meget mere med de strukturelle egenskaber. "